[發(fā)明專利]一種支持環(huán)境感知的PUF單元、PUF和混合PUF

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010578048.6
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111800129B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭朝霞;蔣思航;徐尚成;鄭剛;劉謙
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H03L7/099
• 分類號: H03L7/099;H04L9/32
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 胡秋萍;李智

本發(fā)明公開了一種支持環(huán)境感知的PUF單元、PUF和混合PUF，屬于數(shù)字集成電路設(shè)計以及安全防偽領(lǐng)域，包括：基于環(huán)形振蕩器的第一基本PUF單元和感知外部環(huán)境變化的片外電路；片外電路串聯(lián)在所述第一基本PUF單元的反饋環(huán)之間。本發(fā)明通過將感知外部環(huán)境變化的片外電路串聯(lián)在所述第一基本PUF單元的反饋環(huán)之間，由于外部環(huán)境的變化改變對應(yīng)的寄生RC值，寄生RC值的變化導(dǎo)致所述片外電路延時的差異，所述片外電路延時計入環(huán)形振蕩器的總體延時，該時延變化導(dǎo)致PUF單位的頻率發(fā)生變化，從而實現(xiàn)外部環(huán)境信息耦合到PUF電路內(nèi)，產(chǎn)生環(huán)境變化相關(guān)的唯一輸出，任何改變外部物理環(huán)境的嘗試都會導(dǎo)致輸出結(jié)果永久失效，且無法重建。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)字集成電路設(shè)計以及安全防偽領(lǐng)域，更具體地，涉及一種支持環(huán)境感知的PUF單元、PUF和混合PUF。

背景技術(shù)

21世紀(jì)以來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，各種智能卡、RFID等廣泛應(yīng)用，小到生活中隨處可見的銀行卡、公交卡，甚至是內(nèi)置NFC的智能手機，這些物理實體都對安全提出了很高的要求。這些物理實體受限于其資源有限性、計算能力以及可復(fù)制性等問題，在傳統(tǒng)密碼學(xué)的要求上很難達到較高的安全認證識別標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)前基于生物唯一特征的指紋識別、虹膜識別甚至是聲紋識別對個人進行的唯一身份認證是一種安全有效的認證思路，受益于這個思想，人們提出了物理不可克隆函數(shù)(PUF)這一概念。

正如世界上沒有兩片完全相同的樹葉，PUF也是如此，依賴于芯片制造過程中的不可逆誤差，利用這些誤差的隨機性和唯一性，通過特殊的方式將其提取作為芯片的特征，實現(xiàn)激勵信號與響應(yīng)信號之間的唯一對應(yīng)，這樣就形成了一個類似于人體指紋的“芯片指紋”。PUF理念的提出極大的豐富了傳統(tǒng)密碼學(xué)的應(yīng)用場景和安全性。

目前PUF大致可以分為兩大類，一類是不可集成的PUF；另一類是可集成的電子類PUF，包括模擬電路PUF和數(shù)字電路PUF兩種。不可集成的PUF有光學(xué)PUF、紙PUF以及CD PUF等。這類PUF往往擁有很好的隨機性和唯一性，但美中不足的是，這些PUF無法很好的集成到電路之中，這是很難被應(yīng)用的。電子PUF主要基于一些工藝制造的不對稱性、或基于memory的不定態(tài)、或基于延時的隨機性等隨機特性，這些特性產(chǎn)生過程是隨機的，但一旦產(chǎn)生又能穩(wěn)定持續(xù)下來。

除上述描述的這些PUF外，另外，也有研究者基于量子力學(xué)的基本理論提出了相應(yīng)的PUF，如利用電子自旋方向的不同可以作為“自旋電子PUF”，但是這種形式的PUF雖然尺寸上符合集成的要求，但是如何將其集成于電路中還是需要考慮的一個問題。

綜上，目前應(yīng)用最廣泛的是可集成的電子類PUF。這種PUF主要特性為輸出與芯片實物一一對應(yīng)，不會被外接環(huán)境影響，的確適用于產(chǎn)生芯片唯一的ID。但在實際的產(chǎn)品實物中不單單只包括一個芯片，更會包括能提供芯片工作所需的所有環(huán)境，有時環(huán)境甚至?xí)刃酒瑑r值更高，從而導(dǎo)致偽造重點放在環(huán)境的偽造上。此時，這種PUF就無法提供環(huán)境防偽的支持。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有PUF只通過芯片內(nèi)工藝偏差產(chǎn)生結(jié)果，無法應(yīng)用于芯片外環(huán)境防偽的問題，本發(fā)明提供了一種支持環(huán)境感知的PUF單元、PUF和混合PUF，其目的在于將片外特定物理環(huán)境信息耦合到內(nèi)部的PUF產(chǎn)生流程中，任何將芯片拆卸或破壞外部線路等嘗試進行偽造的行為都會破壞該PUF所處的唯一物理環(huán)境，從而破壞PUF的輸出。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種支持環(huán)境感知的PUF單元，包括：基于環(huán)形振蕩器的第一基本PUF單元和感知外部環(huán)境變化的片外電路；所述片外電路串聯(lián)在所述第一基本PUF單元的反饋環(huán)之間。

優(yōu)選地，外部環(huán)境的變化改變對應(yīng)的寄生RC值，寄生RC值的變化導(dǎo)致所述片外電路延時的差異，所述片外電路延時計入環(huán)形振蕩器的總體延時，以產(chǎn)生和外部環(huán)境變化相關(guān)的輸出。

優(yōu)選地，所述片外電路為使用PCB板上的線路，或是導(dǎo)電貼紙。